现代测量技术 1
第四章 信号的传输
程晓舫
中国科学技术大学
工程科学学院
热科学和能源工程系
现代测量技术 2
§ 4 信号的传输
§ 4.1 概述
§ 4.2 信号的传输
§ 4.3 干扰
§ 4.4 本章小结
现代测量技术 3
§ 4.1 概述
怎样传输电信号？
流动,
? 通过信号自身的运动，从一处到达另一处
波动,
? 通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处
哪些电信号能够被传输
能量型信号,电压、电流、电荷
参数型信号：电阻、电容、电感
现代测量技术 4
§ 4.1 概述
电信号传输介质
流动：有线式传输
? 电缆：可用来传输电荷 /电流
? 光缆：可用来传输光
波动：无线式传输
? 空间：电磁波
电信号传输形式
模拟式：直接传输。
数字式：对信号首先编码，然后传输。
现代测量技术 5
§ 4.2 信号的传输
§ 4.2.1传输介质
§ 4.2.2有线传输
§ 4.2.3无线传输
§ 4.2.4小结
现代测量技术 6
§ 4.2.1传输介质
电缆
? 电阻值,0.033欧姆 /米；电容值,30pF/米
? 工作频带窄、传输速率低、保密性能差
光缆
? 工作频带宽、传输速率高、保密性能好
空间
? 工作频带受限、传输距离大、保密性能差
现代测量技术 7
§ 4.2.2有线传输
电缆
因传输引起的信号失真
? 分析模型
? 相对失真评价
eo ei
r l
c
r r
c c
l l
???? reIe ee
ii
oi? ??? reeI oi
现代测量技术 8
§ 4.2.2有线传输
电缆
改善传输线路电阻变化引起的信号失真
? 技术 1：电路环路传输法
? 改善机制
1 3 7
4-20mA
电流转换电路
80V传输系统用电源
数字式电流表
热电偶
中央控制室
4-20mA的电流环路
??? reeI oi
? 改善技术,
? 提高测量端电压
? 传感端作电流信号转换处理
现代测量技术 9
§ 4.2.2有线传输
电缆
改善传输线路电阻变化引起的信号失真
? 技术 2：数字信号传输法
? 改善机制：建立在有 /无脉冲的机制上。只要能检测出脉冲的有 /无，即使脉冲的大
小和精确形状受到传输介质的严重损害，也不会影响到数字传输系统的精度。
? 数字传输例：电报。
? 优点：可搭载传输，如电力网、电话网等。
放大器 A/D 转换器 控制门 信号传输
译码器
编码器
D/A
转换器
模拟输入
模拟输出
? 编码方式,
? 脉宽
? 频率
现代测量技术 10
§ 4.2.2有线传输
光缆
? 传输系统
? 保密评价：不是光纤发生故障而进入光纤是十分困难的。
? 抗干扰评价：光纤不会受到来自诸如闪电或电源开关的电磁干扰
的影响。
? 安全评价：光纤不会产生火花。例：光缆可放在天然气管道中。
? 传输距离：几米至 30公里。
电 /光转换 光 /电转换 光缆传输 模 /数信号 模 /数信号
现代测量技术 11
§ 4.2.3无线传输
空间
调频 /调频（ FM/FM）
式信号传输系统
? 第一次调频
– 转换,电压 /频率
? 第二次调频
– 增频,低频 /射频
调制解调
? ? ? ?mHzCL 4 2 8 57 5 0 0 0 07 0 0 0 04 0 0 103
8
1 ???
???
? ? ? ?mHzCL 28.139.1102 3 52 1 6 103 6
8
2 ????
???
现代测量技术 12
400Hz
70kHz
560Hz
400Hz
560Hz
70kHz
560Hz
调谐
400Hz
调谐
70kHz
调谐
6Hz
截止
8Hz
截止
1050Hz
截止
电抗
调制器
调频式
接收机
射频
振荡器
倍频器 求和 功放
线性混频器
带通滤波器 调制解调器 低通滤波器
传感器 副载波
振荡器
模拟信号
1
18
2
…
…
…
…
…
接收天线
发射天线
现代测量技术 13
电压 /频率转换
电源
公共端
输入
电流
输入
电压
基准
电压
R2
R1
R1
R3
电压
微调
积分器
定时
基准
精密电荷
分配器
脉冲
输出
电路
电源
R1
R1
原理：积分电容器的充电速度与积分器的输入信号
成正比，积分器的输出与一门限电压相比，一旦超
出门限，便产生一面积精确已知的脉冲。于是，一
固定的电压便产生与其成正比的一输出脉冲系列。
现代测量技术 14
频率 /电压转换
失调电压
调整
滤波电容
电流放大器
自适应式
滤波器
精密电荷
分配器
比较器
频
率
输
入
参
考
输
入
汇
流
点
满刻度调整
满
刻
度
微
调
输出
原理：频率电压从比较器输入，电容器将交替地
由精密参考电压充电并通过下一级放大器的汇流
电放电。每一个充电 /放电周期都有固定数量的电
荷受到控制。输入频率越高，流入汇流点的平均
电流就越大。然后再有电流放大器的反馈电阻完
成电流 /电压转换。
现代测量技术 15
调幅及解调
解调器
调制器
载波振荡器
交流放大器
低通滤波器
低频模拟信号 载波高频信号 载波信号传输
低频模拟信号 解调高频信号
同
步
解
调
现代测量技术 16
§ 4.2.4小结
传输的实质是移动、本质是能量
流动：电流；波动：频率
电信号传输
模拟式：有损耗，影响信号精度；
数字式：有损耗，但不影响信号精度。
传输介质
与电磁有关的介质：电缆、空间
与电磁无关的介质：光缆
传输调理
数字调理；
频率调理；
电光调理。
现代测量技术 17
§ 4.3 干扰
§ 4.3.1概述
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
§ 4.3.3传导干扰的耦合和抑制
§ 4.3.4共阻抗干扰的耦合和抑制
§ 4.3.5电场干扰的耦合和抑制
§ 4.3.6电感干扰的耦合和抑制
§ 4.3.7小结
现代测量技术 18
§ 4.3.1概述
干扰形成的三要素
干扰源
? 自然干扰：宇宙、大气放电、大气热辐射、静电放电
? 电器设备干扰：放电、电路开关、脉冲振荡、整流、电路
缺陷
耦合通道
? 传导：经导线直接耦合到电路中 —— 热电偶
? 共阻抗：两个电路拥有公共阻抗时
? 电场：电压形式的干扰波，经由电场耦合到电路中
? 互感：电流形式的干扰波，经由磁场耦合到电路中
被干扰电路
现代测量技术 19
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
自然干扰
宇宙干扰
? 频率：几十兆到一、二百兆赫兹
? 电平,1/10 微伏
大气放电
? 频率：几千赫兹以上，准脉冲型
? 电平：破坏力极大
大气热辐射
? 频率：几十兆赫兹以内
? 电平,1/100伏 -100微伏的数量级
现代测量技术 20
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
电器设备干扰
放电干扰
? 电晕放电,15kHz-400MHz，主要对低频产生影响
? 辉光（气体）放电：超高频，几十微伏到几十毫伏
? 弧光（金属雾）放电,0.15-150MHz,100-1000微伏
? 火花放电,0.15-150MHz，几百 -几千微伏
电器开关通断干扰
? 电流上升时间 *传输波形的通频带宽 =0.5-1.0
? 干扰电平随频率降低而减少
工频干扰
射频干扰
现代测量技术 21
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
耦合的一般形式 干扰耦合
通过公共阻抗，由回
路 1耦合到回路 2。
干扰抑制
降低公共阻抗
增加回路 1或回路 2的
阻抗
Z12
Z1 Z2
V1 V2
I2 I1
1
21
12
2 VZZ
ZV
??
现代测量技术 22
§ 4.3.3传导干扰的耦合和抑制
传导干扰抑制
干扰去偶
? 防止导线拾取干扰
? 使导线远离干扰
电源线去偶
? 滤波去偶
传导干扰耦合
电
路 V1
?
?
?
?
??
12
12
VV
Z
例：导线耦合
电源线耦合
现代测量技术 23
§ 4.3.4共阻抗干扰的耦合和抑
制
共阻抗耦合 共阻抗干扰抑制
减小共阻抗
? 电阻型阻抗
– 电阻率小的导线
– 减小导线长度
– 增加导线截面积
? 电感型阻抗
– 直线
– 增大磁阻
? 电容型阻抗
– 减小面积
– 增大距离
CSS ZiV ?
vs
z
zc is
A
lR ?? MRwL /2?
d
AC
s?? 0?
现代测量技术 24
电路 2 电路 1
公共地
线电阻
地线电流
1
地线电流
2
电
路
1
对
地
电
压
电
路
2
对
地
电
压
地电流流经公共地线阻抗的耦合
共阻抗干扰 ——接地线
接地线公共阻抗 耦合机制
地线电流 1和 2流经地
线公共阻抗，电路 1
的地电位被电路 2流
经公共地线阻抗的电
流所调制。
抑制接地线公共阻抗
尽量缩短并加粗地线，
以降低公共地线阻抗。
现代测量技术 25
电源
内阻
公共线路阻抗
电源内阻及公共线路形成的耦合
电路 1
电路 2
共阻抗干扰 ——电源内阻
电源输出阻抗 耦合机制
电路 1的电源电流的
任何变化都会电路 2
的电源电压。
抑制电源输出阻抗
将电路 2的电源引线
靠近电源输出端。
采用稳压源降低电源
内阻。
现代测量技术 26
A
C
B
Zo
Zo
Zo
ZL ZL
Vs
ZL
VL
Zc
Vi Vib
输出电路的串扰
共阻抗干扰 ——电路串扰
输出电路串扰 抑制串扰
减小输出电路共阻抗
增加输出阻抗和负载阻抗
L
OL
C
ib VZZ
ZV
?
?
ibV
LZ
OZ
LV
CZ
,B上的干扰电压
,A上的干扰电压
：输出电路共阻抗
：输出阻抗
：负载阻抗
现代测量技术 27
§ 4.3.5电场干扰的耦合和抑制
电场耦合 耦合机制
电路 g由 Vg形成的电
场通过电容 Cj耦合到
阻抗 Zs上。
电场耦合抑制
抑制耦合电容
减小输入阻抗
g
Sj
Sj
S VZCj
ZCjV
?
?
?? 1
Vg
S g
Cj
Zs Vs
电场耦合
d
AC
s?? 0?
现代测量技术 28
§ 4.3.6电感干扰的耦合和抑制
电感耦合
载流导线
载流线圈
耦合机制
磁场穿过回路产生感
应电压
磁场与磁场互感产生
耦合电压
抑制互感干扰
电路远离
干扰线绞合
减少接收回路面积
减小角度
?? c o sBAjV ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ig
M
V
磁场穿过闭合回路 互感耦合
gMijV ??
MRwL /2?
现代测量技术 29
§ 4.3.7小结
干扰有自然干扰和电器设备干扰，干扰
频率和电平有不同的跨度
干扰耦合发生在公共阻抗的存在上
抑制干扰的方式有
电器元件本身的设计
远离干扰
现代测量技术 30
自身设计
1,各级电路的连接导线应尽可能短，高频电路尤应注意。
2,高频电路应尽量避免平行排列导线。
3,尽量避免使各级电路交叉排列布置。
4,尽量使各级电路自成回路。
5,各级电路采用一点接地或就近接地，大电流用地线和小电流用
地线应分别设置。
6,工作频率相同的电路应相隔远些。
7,产生电磁场的元件，在布置时应相互垂直、远离或加以屏蔽。
8,处于强磁场中的地线不应成闭合回路。
9,电源供电线应靠近地线并平行排列布置，以增大电源滤波效果。
现代测量技术 31
§ 4.4 本章小结
能量型信号才能够被传输
信号传输前的处理有：模拟和数字
传输的方式有：流动和波动
传输的介质：有线和无线
传输的调理：数字、频率、光电
干扰无所不在，通过公共阻抗耦合
抑制干扰：元件设计、远离干扰
第四章 信号的传输
程晓舫
中国科学技术大学
工程科学学院
热科学和能源工程系
现代测量技术 2
§ 4 信号的传输
§ 4.1 概述
§ 4.2 信号的传输
§ 4.3 干扰
§ 4.4 本章小结
现代测量技术 3
§ 4.1 概述
怎样传输电信号？
流动,
? 通过信号自身的运动，从一处到达另一处
波动,
? 通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处
哪些电信号能够被传输
能量型信号,电压、电流、电荷
参数型信号：电阻、电容、电感
现代测量技术 4
§ 4.1 概述
电信号传输介质
流动：有线式传输
? 电缆：可用来传输电荷 /电流
? 光缆：可用来传输光
波动：无线式传输
? 空间：电磁波
电信号传输形式
模拟式：直接传输。
数字式：对信号首先编码，然后传输。
现代测量技术 5
§ 4.2 信号的传输
§ 4.2.1传输介质
§ 4.2.2有线传输
§ 4.2.3无线传输
§ 4.2.4小结
现代测量技术 6
§ 4.2.1传输介质
电缆
? 电阻值,0.033欧姆 /米；电容值,30pF/米
? 工作频带窄、传输速率低、保密性能差
光缆
? 工作频带宽、传输速率高、保密性能好
空间
? 工作频带受限、传输距离大、保密性能差
现代测量技术 7
§ 4.2.2有线传输
电缆
因传输引起的信号失真
? 分析模型
? 相对失真评价
eo ei
r l
c
r r
c c
l l
???? reIe ee
ii
oi? ??? reeI oi
现代测量技术 8
§ 4.2.2有线传输
电缆
改善传输线路电阻变化引起的信号失真
? 技术 1：电路环路传输法
? 改善机制
1 3 7
4-20mA
电流转换电路
80V传输系统用电源
数字式电流表
热电偶
中央控制室
4-20mA的电流环路
??? reeI oi
? 改善技术,
? 提高测量端电压
? 传感端作电流信号转换处理
现代测量技术 9
§ 4.2.2有线传输
电缆
改善传输线路电阻变化引起的信号失真
? 技术 2：数字信号传输法
? 改善机制：建立在有 /无脉冲的机制上。只要能检测出脉冲的有 /无，即使脉冲的大
小和精确形状受到传输介质的严重损害，也不会影响到数字传输系统的精度。
? 数字传输例：电报。
? 优点：可搭载传输，如电力网、电话网等。
放大器 A/D 转换器 控制门 信号传输
译码器
编码器
D/A
转换器
模拟输入
模拟输出
? 编码方式,
? 脉宽
? 频率
现代测量技术 10
§ 4.2.2有线传输
光缆
? 传输系统
? 保密评价：不是光纤发生故障而进入光纤是十分困难的。
? 抗干扰评价：光纤不会受到来自诸如闪电或电源开关的电磁干扰
的影响。
? 安全评价：光纤不会产生火花。例：光缆可放在天然气管道中。
? 传输距离：几米至 30公里。
电 /光转换 光 /电转换 光缆传输 模 /数信号 模 /数信号
现代测量技术 11
§ 4.2.3无线传输
空间
调频 /调频（ FM/FM）
式信号传输系统
? 第一次调频
– 转换,电压 /频率
? 第二次调频
– 增频,低频 /射频
调制解调
? ? ? ?mHzCL 4 2 8 57 5 0 0 0 07 0 0 0 04 0 0 103
8
1 ???
???
? ? ? ?mHzCL 28.139.1102 3 52 1 6 103 6
8
2 ????
???
现代测量技术 12
400Hz
70kHz
560Hz
400Hz
560Hz
70kHz
560Hz
调谐
400Hz
调谐
70kHz
调谐
6Hz
截止
8Hz
截止
1050Hz
截止
电抗
调制器
调频式
接收机
射频
振荡器
倍频器 求和 功放
线性混频器
带通滤波器 调制解调器 低通滤波器
传感器 副载波
振荡器
模拟信号
1
18
2
…
…
…
…
…
接收天线
发射天线
现代测量技术 13
电压 /频率转换
电源
公共端
输入
电流
输入
电压
基准
电压
R2
R1
R1
R3
电压
微调
积分器
定时
基准
精密电荷
分配器
脉冲
输出
电路
电源
R1
R1
原理：积分电容器的充电速度与积分器的输入信号
成正比，积分器的输出与一门限电压相比，一旦超
出门限，便产生一面积精确已知的脉冲。于是，一
固定的电压便产生与其成正比的一输出脉冲系列。
现代测量技术 14
频率 /电压转换
失调电压
调整
滤波电容
电流放大器
自适应式
滤波器
精密电荷
分配器
比较器
频
率
输
入
参
考
输
入
汇
流
点
满刻度调整
满
刻
度
微
调
输出
原理：频率电压从比较器输入，电容器将交替地
由精密参考电压充电并通过下一级放大器的汇流
电放电。每一个充电 /放电周期都有固定数量的电
荷受到控制。输入频率越高，流入汇流点的平均
电流就越大。然后再有电流放大器的反馈电阻完
成电流 /电压转换。
现代测量技术 15
调幅及解调
解调器
调制器
载波振荡器
交流放大器
低通滤波器
低频模拟信号 载波高频信号 载波信号传输
低频模拟信号 解调高频信号
同
步
解
调
现代测量技术 16
§ 4.2.4小结
传输的实质是移动、本质是能量
流动：电流；波动：频率
电信号传输
模拟式：有损耗，影响信号精度；
数字式：有损耗，但不影响信号精度。
传输介质
与电磁有关的介质：电缆、空间
与电磁无关的介质：光缆
传输调理
数字调理；
频率调理；
电光调理。
现代测量技术 17
§ 4.3 干扰
§ 4.3.1概述
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
§ 4.3.3传导干扰的耦合和抑制
§ 4.3.4共阻抗干扰的耦合和抑制
§ 4.3.5电场干扰的耦合和抑制
§ 4.3.6电感干扰的耦合和抑制
§ 4.3.7小结
现代测量技术 18
§ 4.3.1概述
干扰形成的三要素
干扰源
? 自然干扰：宇宙、大气放电、大气热辐射、静电放电
? 电器设备干扰：放电、电路开关、脉冲振荡、整流、电路
缺陷
耦合通道
? 传导：经导线直接耦合到电路中 —— 热电偶
? 共阻抗：两个电路拥有公共阻抗时
? 电场：电压形式的干扰波，经由电场耦合到电路中
? 互感：电流形式的干扰波，经由磁场耦合到电路中
被干扰电路
现代测量技术 19
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
自然干扰
宇宙干扰
? 频率：几十兆到一、二百兆赫兹
? 电平,1/10 微伏
大气放电
? 频率：几千赫兹以上，准脉冲型
? 电平：破坏力极大
大气热辐射
? 频率：几十兆赫兹以内
? 电平,1/100伏 -100微伏的数量级
现代测量技术 20
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
电器设备干扰
放电干扰
? 电晕放电,15kHz-400MHz，主要对低频产生影响
? 辉光（气体）放电：超高频，几十微伏到几十毫伏
? 弧光（金属雾）放电,0.15-150MHz,100-1000微伏
? 火花放电,0.15-150MHz，几百 -几千微伏
电器开关通断干扰
? 电流上升时间 *传输波形的通频带宽 =0.5-1.0
? 干扰电平随频率降低而减少
工频干扰
射频干扰
现代测量技术 21
§ 4.3.2干扰的产生和耦合的一般形式
耦合的一般形式 干扰耦合
通过公共阻抗，由回
路 1耦合到回路 2。
干扰抑制
降低公共阻抗
增加回路 1或回路 2的
阻抗
Z12
Z1 Z2
V1 V2
I2 I1
1
21
12
2 VZZ
ZV
??
现代测量技术 22
§ 4.3.3传导干扰的耦合和抑制
传导干扰抑制
干扰去偶
? 防止导线拾取干扰
? 使导线远离干扰
电源线去偶
? 滤波去偶
传导干扰耦合
电
路 V1
?
?
?
?
??
12
12
VV
Z
例：导线耦合
电源线耦合
现代测量技术 23
§ 4.3.4共阻抗干扰的耦合和抑
制
共阻抗耦合 共阻抗干扰抑制
减小共阻抗
? 电阻型阻抗
– 电阻率小的导线
– 减小导线长度
– 增加导线截面积
? 电感型阻抗
– 直线
– 增大磁阻
? 电容型阻抗
– 减小面积
– 增大距离
CSS ZiV ?
vs
z
zc is
A
lR ?? MRwL /2?
d
AC
s?? 0?
现代测量技术 24
电路 2 电路 1
公共地
线电阻
地线电流
1
地线电流
2
电
路
1
对
地
电
压
电
路
2
对
地
电
压
地电流流经公共地线阻抗的耦合
共阻抗干扰 ——接地线
接地线公共阻抗 耦合机制
地线电流 1和 2流经地
线公共阻抗，电路 1
的地电位被电路 2流
经公共地线阻抗的电
流所调制。
抑制接地线公共阻抗
尽量缩短并加粗地线，
以降低公共地线阻抗。
现代测量技术 25
电源
内阻
公共线路阻抗
电源内阻及公共线路形成的耦合
电路 1
电路 2
共阻抗干扰 ——电源内阻
电源输出阻抗 耦合机制
电路 1的电源电流的
任何变化都会电路 2
的电源电压。
抑制电源输出阻抗
将电路 2的电源引线
靠近电源输出端。
采用稳压源降低电源
内阻。
现代测量技术 26
A
C
B
Zo
Zo
Zo
ZL ZL
Vs
ZL
VL
Zc
Vi Vib
输出电路的串扰
共阻抗干扰 ——电路串扰
输出电路串扰 抑制串扰
减小输出电路共阻抗
增加输出阻抗和负载阻抗
L
OL
C
ib VZZ
ZV
?
?
ibV
LZ
OZ
LV
CZ
,B上的干扰电压
,A上的干扰电压
：输出电路共阻抗
：输出阻抗
：负载阻抗
现代测量技术 27
§ 4.3.5电场干扰的耦合和抑制
电场耦合 耦合机制
电路 g由 Vg形成的电
场通过电容 Cj耦合到
阻抗 Zs上。
电场耦合抑制
抑制耦合电容
减小输入阻抗
g
Sj
Sj
S VZCj
ZCjV
?
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?? 1
Vg
S g
Cj
Zs Vs
电场耦合
d
AC
s?? 0?
现代测量技术 28
§ 4.3.6电感干扰的耦合和抑制
电感耦合
载流导线
载流线圈
耦合机制
磁场穿过回路产生感
应电压
磁场与磁场互感产生
耦合电压
抑制互感干扰
电路远离
干扰线绞合
减少接收回路面积
减小角度
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M
V
磁场穿过闭合回路 互感耦合
gMijV ??
MRwL /2?
现代测量技术 29
§ 4.3.7小结
干扰有自然干扰和电器设备干扰，干扰
频率和电平有不同的跨度
干扰耦合发生在公共阻抗的存在上
抑制干扰的方式有
电器元件本身的设计
远离干扰
现代测量技术 30
自身设计
1,各级电路的连接导线应尽可能短，高频电路尤应注意。
2,高频电路应尽量避免平行排列导线。
3,尽量避免使各级电路交叉排列布置。
4,尽量使各级电路自成回路。
5,各级电路采用一点接地或就近接地，大电流用地线和小电流用
地线应分别设置。
6,工作频率相同的电路应相隔远些。
7,产生电磁场的元件，在布置时应相互垂直、远离或加以屏蔽。
8,处于强磁场中的地线不应成闭合回路。
9,电源供电线应靠近地线并平行排列布置，以增大电源滤波效果。
现代测量技术 31
§ 4.4 本章小结
能量型信号才能够被传输
信号传输前的处理有：模拟和数字
传输的方式有：流动和波动
传输的介质：有线和无线
传输的调理：数字、频率、光电
干扰无所不在，通过公共阻抗耦合
抑制干扰：元件设计、远离干扰
